JP7418474B2 - 半導体装置および電力変換装置 - Google Patents
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Description
本開示は、半導体装置および電力変換装置に関するものである。
従来、絶縁基板と、回路層と、回路層に配置されたはんだと、はんだによって回路層に接合された半導体素子とを備える半導体装置がある。回路層は、アルミニウム層を含んでいる。アルミニウムは、はんだに対する濡れ性が低い。このため、はんだによって半導体素子を回路層に接合するためには、アルミニウム層上にはんだに対する濡れ性が高い金属からなる金属層を設ける必要がある。しかしながら、アルミニウム層の表面には酸化膜が生じやすいため、めっきによってアルミニウム層上に金属層を設けることは困難である。
例えば、特開２０１４－２０９５３９号公報（特許文献１）に記載された半導体装置では、回路層は、第１アルミニウム層（アルミニウム層）と、第１銅層（金属層）とを含んでいる。第１銅層（金属層）は、第１アルミニウム層（アルミニウム層）に固相拡散接合によって接合されている。第１銅層（金属層）は、第１アルミニウム層（アルミニウム層）よりもはんだに対する濡れ性が高い。
上記公報に記載された半導体装置では、金属層（第１銅層）は、導体層（第１アルミニウム層）に固相拡散接合によって接合されている。固相拡散接合では金属層（第１銅層）および導体層（第１アルミニウム層）の接触面に液相が発生しない。このため、金属層（第１銅層）および導体層（第１アルミニウム層）の接触面に凹凸が設けられている場合、金属層（第１銅層）が導体層（第１アルミニウム層）に十分に接触しない。したがって、金属層（第１銅層）が導体層（第１アルミニウム層）に固相拡散接合によって接合される前に、接触面が平滑にされる必要がある。すなわち、基板の導体層（第１アルミニウム層）が平滑にされる必要がある。
本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板の導体層が平滑にされる必要がなく、かつ半導体素子をアルミニウムよりもはんだに対する濡れ性が高い金属層に接合できる半導体装置および電力変換装置を提供することである。
本開示の半導体装置は、基板と、ろう材と、積層材と、はんだと、半導体素子とを備えている。基板は、セラミック層と、第１導体層とを含んでいる。第１導体層は、セラミック層に積層されている。ろう材は、第１導体層に対してセラミック層とは反対側に配置されている。積層材は、第１金属層と、第２金属層とを含んでいる。第１金属層は、第１導体層に対してセラミック層とは反対側でろう材によって第１導体層に接合されている。第２金属層は、第１金属層に対して第１導体層とは反対側で第１金属層に積層されている。はんだは、第２金属層に配置されている。半導体素子は、はんだによって第２金属層に接合されている。半導体素子は、積層材を介して基板に電気的に接続されている。第１導体層および第１金属層の材料は、アルミニウムを含んでいる。第２金属層は、第１金属層よりもはんだに対する濡れ性が高い。
本開示の半導体装置によれば、第１金属層は、第１導体層に対してセラミック層とは反対側でろう材によって第１導体層に接合されている。このため、基板の第１導体層が平滑にされる必要がない。また、半導体素子は、はんだによって第２金属層に接合されている。第２金属層は、第１金属層よりもはんだに対する濡れ性が高い。このため、半導体素子をアルミニウムよりもはんだに対する濡れ性が高い金属層に接合できる。
以下、実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下では、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。
実施の形態１．
図１を用いて、実施の形態１に係る半導体装置１００の構成を説明する。図１に示されるように、半導体装置１００は、基板１と、積層材２と、半導体素子３と、はんだ４と、ろう材５と、裏面ろう材５０と、ヒートシンク６と、ケース７と、配線部材８と、封止材ＳＲとを含んでいる。半導体装置１００は、電力用のパワー半導体装置である。
図１を用いて、実施の形態１に係る半導体装置１００の構成を説明する。図１に示されるように、半導体装置１００は、基板１と、積層材２と、半導体素子３と、はんだ４と、ろう材５と、裏面ろう材５０と、ヒートシンク６と、ケース７と、配線部材８と、封止材ＳＲとを含んでいる。半導体装置１００は、電力用のパワー半導体装置である。
図１に示されるように、基板１は、セラミック層１１と、第１導体層１２と、第２導体層１３とを含んでいる。基板１は、面内方向に延びている。
セラミック層１１の材料は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（酸化アルミニウム）、炭化珪素（ＳｉＣ）窒化珪素（ＳｉＮ）などである。本実施の形態において、セラミック層１１の材料は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。
セラミック層１１の面内方向における幅は、例えば、６５ｍｍである。セラミック層１１の面内方向における長さは、例えば、６５ｍｍである。セラミック層１１の第１方向における厚みは、例えば、０．６４ｍｍである。本実施の形態において、第１方向は、面内方向に直交している。
図１に示されるように、第１導体層１２は、セラミック層１１に積層されている。第１導体層１２は、第１方向においてセラミック層１１に直接積層されている。第１導体層１２は、回路パターンとして構成されている。第２導体層１３は、セラミック層１１に対して第１導体層１２とは反対側に積層されている。第２導体層１３は、第１方向においてセラミック層１１に直接積層されている。第２導体層１３は、第１方向において第１導体層１２とでセラミック層１１を挟み込んでいる。第２導体層１３は、回路パターンとして構成されていてもよい。第１導体層１２および第２導体層１３の各々は、セラミック層１１の両面にそれぞれ貼り付けられている。
第１導体層１２および第２導体層１３の材料は、アルミニウム（Ａｌ）を含んでいる。第１導体層１２および第２導体層１３の材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）であってもよいし、Ａ６０６３などのアルミニウム合金であってもよい。本実施の形態において、第１導体層１２および第２導体層１３の材料は、アルミニウム（Ａｌ）である。
第１導体層１２および第２導体層１３の面内方向における幅は、例えば、６１ｍｍである。第１導体層１２および第２導体層１３の面内方向における長さは、例えば、６１ｍｍである。第１導体層１２および第２導体層１３の第１方向における厚みは、例えば、０．４ｍｍである。
積層材２は、基板１に第１方向に積層されている。図１に示されるように、積層材２は、第１金属層２１と、第２金属層２２とを含んでいる。
図１に示されるように、第１金属層２１は、第１導体層１２に対してセラミック層１１とは反対側で第１導体層１２に接合されている。第１金属層２１の厚みは、例えば、０．２ｍｍである。ろう材５は、第１導体層１２に対してセラミック層１１とは反対側に配置されている。第１金属層２１は、ろう材５によって第１導体層１２に接合されている。第１金属層２１は、第１導体層１２とでろう材５を挟み込んでいる。ろう材５は、基板１および積層材２に第１方向に直接積層されている。ろう材５は、例えば、アルミニウム－シリコンろう材である。ろう材５の厚みは、例えば、０．１ｍｍである。
第１金属層２１の材料は、アルミニウムを含んでいる。第１金属層２１の材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）であってもよいし、Ａ６０６３などのアルミニウム合金であってもよい。本実施の形態において、第１金属層２１の材料は、アルミニウム（Ａｌ）である。
図１に示されるように、第２金属層２２は、第１金属層２１に対して第１導体層１２とは反対側で第１金属層２１に積層されている。本実施の形態において、第２金属層２２は、第１金属層２１に直接積層されている。第２金属層２２は、積層材２の最表面側に配置されている。第２金属層２２の厚みは、例えば、０．１ｍｍである。
第２金属層２２は、第１金属層２１よりもはんだ４に対する濡れ性が高い。第２金属層２２は、アルミニウム（Ａｌ）よりもはんだ４に対する濡れ性が高い。第２金属層２２の材料は、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）および４２アロイのいずれかを含んでいる。４２アロイは、鉄（Ｆｅ）とニッケル（Ｎｉ）とを含む合金である。本実施の形態において、第２金属層２２の材料は、ニッケル（Ｎｉ）を含んでいる。
本実施の形態において、積層材２は、第１金属層２１と第２金属層２２とを含むクラッド材である。このため、第１金属層２１は、第２金属層２２に隙間なく密着している。第１金属層２１と第２金属層２２とは、圧着一体化されていてもよい。クラッド材は、第１金属層２１と第２金属層２２とが冷間圧接、熱間圧接、レーザ溶接および摩擦攪拌接合などによって積層されることによって、形成されていてもよい。本実施の形態において、第１金属層２１と第２金属層２２とは、冷間圧接によって圧着一体化されている。
積層材２は、第１金属層２１と第２金属層２２とが蒸着またはスパッタなどによって積層されることによって形成されていてもよい。積層材２の厚みの最小値は、例えば、３０μｍ以上５０μｍ以下である。積層材２の厚みの最大値は、例えば、１０ｍｍである。
図１に示されるように、はんだ４は、第２金属層２２に配置されている。はんだ４は、第２金属層２２に対して第１金属層２１とは反対側で第２金属層２２上に配置されている。はんだ４の材料は、例えば、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ（スズ－銀－銅）系はんだおよびＳｎ－Ｓｂ－Ａｇ（スズ－アンチモン－銀）系はんだなどである。はんだ４の材料は、具体的には、例えば、Ｓｎ９６．５－Ａｇ３－Ｃｕ０．５（質量％）はんだ、Ｓｎ９８．５－Ａｇ１－Ｃｕ０．５（質量％）はんだおよびＳｎ９６－Ｓｂ３－Ａｇ１（質量％）はんだなどである。本実施の形態におけるはんだ４の材料は、Ｓｎ９６．５－Ａｇ３－Ｃｕ０．５（質量％）はんだである。
はんだ４の材料は、銅（Ｃｕ）－スズ（Ｓｎ）ペーストおよびナノ銀（Ａｇ）ペーストなどであってもよい。銅（Ｃｕ）－スズ（Ｓｎ）ペーストによる接合は、分散された銅粉が等温凝固するため、高い耐熱性を有している。ナノ銀（Ａｇ）ペーストによる接合は、ナノ銀（Ａｇ）粒子による低温焼成によって接合される。
図１に示されるように、半導体素子３は、はんだ４によって第２金属層２２に接合されている。半導体素子３は、積層材２を介して基板１に電気的に接続されている。半導体素子３は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）、ダイオードおよび金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などである。半導体装置１００は、複数の半導体素子３を含んでいてもよい。本実施の形態において、半導体装置１００は、複数の半導体素子３を含んでいる。
１つの半導体素子３は、配線部材８を介して端子９と他の半導体素子３との少なくともいずれか一方に電気的に接続されている。これにより、基板１、積層材２、半導体素子３、配線部材８および端子９は、電気回路を構成している。端子９は、ケース７内にインサート形成されている。端子９は、信号端子９１と、主端子９２とを含んでいる。信号端子９１および主端子９２は、半導体素子３に電気的に接続されている。
配線部材８は、例えば、ボンディングワイヤ、ボンディングリボンまたは板状電極などである。配線部材８がボンディングワイヤである場合、配線部材８は半導体素子３にワイヤボンディングされる。ボンディングワイヤの材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）および金（Ａｕ）などである。ボンディングワイヤは、アルミニウム（Ａｌ）が被覆された銅線であってもよい。本実施の形態において、配線部材８は、アルミニウム（Ａｌ）製のボンディングワイヤである。信号端子９１に接続された配線部材８の直径は、例えば、０．１５ｍｍである。主端子９２に接続された配線部材８の直径は、例えば、０．３ｍｍである。配線部材８がボンディングリボンである場合、配線部材８は半導体素子３にリボンボンディングされる。配線部材８が板状電極である場合、配線部材８は半導体素子３に直接にはんだ付けされる。
図１に示されるように、ヒートシンク６は、第２導体層１３に対して第１導体層１２とは反対側で第２導体層１３に接合されている。ヒートシンク６は、裏面ろう材５０によって第２導体層１３に接合されている。裏面ろう材５０は、例えば、アルミニウム－シリコンろう材である。ヒートシンク６は、ベース板６１と、複数のフィン部６２とを含んでいる。ベース板６１は、裏面ろう材５０によって第２導体層１３に接合されている。複数のフィン部６２は、ベース板６１に対して基板１とは反対側に向かってベース板６１から突出している。
ケース７は、基板１と、積層材２と、半導体素子３と、はんだ４と、ろう材５と、裏面ろう材５０と、ヒートシンク６と、配線部材８とを取り囲んでいる。ケース７は、枠形状を有している。ケース７の材料は、例えば、ＰＰＳ（PolyPhenylene Sulfide）樹脂および液晶ポリマー（ＬＣＰ：Liquid Crystal Polymer）などである。本実施の形態において、ケース７の材料は、ＰＰＳ樹脂である。
封止材ＳＲは、ケース７の内部空間に注入されている。封止材ＳＲは、液状の封止材である。封止材ＳＲは、例えば、シリカフィラーを含むエポキシ樹脂であってもよいし、シリコーンゲルなどであってもよい。
次に、図２を用いて、実施の形態１の第１の変形例に係る半導体装置１００の構成を説明する。図２に示されるように、実施の形態１の第１の変形例において、半導体装置１００は、トランスファーモールド樹脂ＴＲと、リードフレームＬＦを含んでいる。
リードフレームＬＦは、電極９０を含んでいる。電極９０は、信号電極９３および主電極９４を含んでいる。信号電極９３および主電極９４は、半導体素子３に電気的に接続されている。リードフレームＬＦの面内方向における寸法は、例えば、１５０ｍｍ×５０ｍｍである。リードフレームＬＦの厚みは、例えば、０．６ｍｍである。トランスファーモールド樹脂ＴＲは、基板１、積層材２、半導体素子３、はんだ４、ろう材５、裏面ろう材５０および配線部材８を封止している。トランスファーモールド樹脂ＴＲは、電極９０を部分的に封止している。
次に、実施の形態１の第２の変形例に係る半導体装置１００の構成を説明する。図１２に示されるように、実施の形態１の第２の変形例において、基板１は、複数の基板部１９を含んでいる。すなわち、本実施の形態に係る基板１は、個片化されている。基板１は、例えば、２つまたは６つの基板部１９に分割されている。セラミック層１１は、複数の基板部１９の各々に含まれるセラミック部を含んでいる。導体層は、複数の基板部１９の各々に含まれる導体部を含んでいる。
次に、図３～図５を用いて、実施の形態１に係る半導体装置１００の製造方法を説明する。図３に示されるように、半導体装置１００の製造方法は、基板１、積層材２、はんだ４、半導体素子３およびろう材５が準備される工程Ｓ１０１と、第１金属層２１がろう材５によって第１導体層１２に接合される工程Ｓ１０２と、半導体素子３がはんだ４によって第２金属層２２に接合される工程Ｓ１０３とを含んでいる。
図４に示されるように、基板１、積層材２、はんだ４（図５参照）、半導体素子３（図５参照）およびろう材５が準備される工程Ｓ１０１（図３参照）において、基板１、積層材２、はんだ４（図５参照）、半導体素子３（図５参照）およびろう材５が準備される。第１金属層２１および第２金属層２２が積層されている状態の積層材２が準備される。図４および図５に示されるように、基板１、積層材２、はんだ４、半導体素子３およびろう材５が準備される工程Ｓ１０１において、裏面ろう材５０、ヒートシンク６、ケース７、端子９、配線部材８および封止材ＳＲがさらに準備される。端子９は、ケース７にインサート成形されている。
図４に示されるように、第１金属層２１がろう材５によって第１導体層１２に接合される工程Ｓ１０２（図３参照）において、第１導体層１２に対してセラミック層１１とは反対側にろう材５が配置されてから、第１金属層２１がろう材５によって第１導体層１２に接合される。第１金属層２１がろう材５によって第１導体層１２に接合される工程Ｓ１０２において、第２導体層１３とヒートシンク６との間に裏面ろう材５０が挟み込まれてから、第２金属層２２が裏面ろう材５０によってヒートシンク６に接合される。
具体的には、基板１、積層材２、ろう材５、裏面ろう材５０およびヒートシンク６は、図示されない治具によって荷重が加えられながら挟み込まれる。図示されない治具によって挟み込まれた基板１、積層材２、ろう材５、裏面ろう材５０およびヒートシンク６は、例えば、５８０℃で３分間加熱されることで接合される。
図５に示されるように、半導体素子３がはんだ４によって第２金属層２２に接合される工程Ｓ１０３において、半導体素子３がはんだ４によって第２金属層２２に接合される。基板１は、図示されない接着剤によってケース７内に位置決めされる。半導体素子３は、配線部材８によって端子９に電気的に接続される。ケース７内に封止材ＳＲ（図１参照）が注入される。封止材ＳＲ（図１参照）は、例えば、１５０℃で１．５時間加熱されることによって硬化される。これにより、ケース７は絶縁封止される。
次に、図６および図７を用いて、実施の形態１の第１の変形例に係る半導体装置１００の製造方法を説明する。
図６に示されるように、半導体素子３がはんだ４によって第２金属層２２に接合される工程Ｓ１０３において、基板１は、リードフレームＬＦに対して位置決めされる。続いて、図７に示されるように、リードフレームＬＦは、金型Ｍに対して位置決めされる。基板１、積層材２、半導体素子３、はんだ４およびろう材５は、金型Ｍの内部空間に配置される。金型Ｍは、上型Ｍ１と下型Ｍ２とを含んでいる。上型Ｍ１および下型Ｍ２の面内方向における寸法は、例えば、１００ｍｍ×８０ｍｍである。上型Ｍ１の第１方向における寸法は、例えば、７０ｍｍである。下型Ｍ２の第１方向における寸法は、例えば、１００ｍｍである。
図７に示されるように、トランスファーモールド樹脂ＴＲ（図２参照）が加圧および加熱されつつ、金型Ｍの内部空間に流し込まれる。トランスファーモールド樹脂ＴＲ（図２参照）は、例えば、１７０℃で５分間加熱されることによって、仮硬化される。仮硬化されたトランスファーモールド樹脂ＴＲ（図２参照）は、金型Ｍから外されてから、本硬化される。トランスファーモールド樹脂ＴＲ（図２参照）は、例えば、図示されないオーブンによって１７０℃で２時間加熱されることによって、本硬化される。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態１に係る半導体装置１００によれば、図１に示されるように、第１金属層２１は、第１導体層１２に対してセラミック層１１とは反対側でろう材５によって第１導体層１２に接合されている。このため、第１導体層１２と第１金属層２１との接触面が平滑にされる必要がない。よって、基板１の第１導体層１２が平滑にされる必要がない。
実施の形態１に係る半導体装置１００によれば、図１に示されるように、第１金属層２１は、第１導体層１２に対してセラミック層１１とは反対側でろう材５によって第１導体層１２に接合されている。このため、第１導体層１２と第１金属層２１との接触面が平滑にされる必要がない。よって、基板１の第１導体層１２が平滑にされる必要がない。
図１に示されるように、半導体素子３は、はんだ４によって第２金属層２２に接合されている。第２金属層２２は、第１金属層２１よりもはんだ４に対する濡れ性が高い。第１金属層２１の材料は、アルミニウム（Ａｌ）を含んでいる。このため、半導体素子３をアルミニウム（Ａｌ）よりもはんだ４に対する濡れ性が高い金属層（第２金属層２２）に接合できる。よって、半導体素子３は、アルミニウム（Ａｌ）に接合される場合よりも、はんだ４によって強固に接合され得る。
図１に示されるように、第１導体層１２および第１金属層２１の材料は、アルミニウム（Ａｌ）を含んでいる。例えば、銅（Ｃｕ）よりもアルミニウム（Ａｌ）の比重は小さく、かつアルミニウム（Ａｌ）の熱伝導率は高い。このため、半導体装置１００の寸法および重量を小さくし、かつ半導体装置１００の放熱性を高くすることができる。
仮に、第１金属層２１が固相拡散接合によって第１導体層１２に接合されており、かつ第１金属層２１の材料が銅（Ｃｕ）を含んでいる場合、第１導体層１２（アルミニウム（Ａｌ））および第１金属層２１（銅（Ｃｕ））は、共晶反応を起こす。共晶反応によって第１導体層１２および第１金属層２１の融点が低下するため、第１導体層１２および第１金属層２１は、液体化し得る。第１導体層１２（アルミニウム（Ａｌ））と第１金属層２１（銅（Ｃｕ））は、具体的には、例えば、５４０℃で液体化する。このため、第１金属層２１が固相拡散接合によって第１導体層１２に接合されており、かつ第１金属層２１の材料が銅（Ｃｕ）を含んでいる場合、半導体装置１００の耐熱温度は、５４０℃以下である。また、第１導体層１２と第１金属層２１とは、５４０℃よりも低い温度で長時間加熱される必要がある。
本実施の形態に係る半導体装置１００によれば、図１に示されるように、第１金属層２１は、ろう材５によって第１導体層１２に接合されている。第１金属層２１および第１導体層１２の両方の材料は、アルミニウム（Ａｌ）を含んでいる。また、第１金属層２１は、第１導体層１２にろう材５によって、例えば、５７０℃以上６００℃以下で接合される。よって、第１金属層２１および第１導体層１２が共晶反応によって液体化することが抑制され得る。したがって、半導体装置１００の耐熱温度は、第１金属層２１が固相拡散接合によって第１導体層１２に接合されておりかつ第１金属層２１の材料が銅（Ｃｕ）を含んでいる場合よりも、高い。これにより、半導体装置１００の耐熱性は、向上する。また、第１導体層１２と第１金属層２１との接合に必要な時間は、第１金属層２１が固相拡散接合によって第１導体層１２に接合される場合よりも、短い。
図１に示されるように、積層材２は、第１金属層２１と第２金属層２２とを含むクラッド材である。クラッド材による積層材２は、蒸着およびスパッタなどによる積層材２よりも安価である。このため、半導体装置１００の製造コストを小さくすることができる。また、クラッド材による積層材２は、蒸着およびスパッタなどによる積層材２よりも高い生産性を有している。このため、半導体装置１００の生産性を高くすることができる。
図１に示されるように、積層材２は、第１金属層２１と第２金属層２２とを含むクラッド材である。このため、第１金属層２１は、第２金属層２２に圧着一体化されている。よって、第１金属層２１の表面が平滑にされる必要がない。
第２金属層２２の材料は、ニッケル（Ｎｉ）を含んでいる。ニッケル（Ｎｉ）は、アルミニウム（Ａｌ）よりもはんだ４に対する濡れ性が高い。このため、第２金属層２２は、アルミニウム（Ａｌ）よりもはんだ４に対する濡れ性が高い。よって、半導体素子３をアルミニウム（Ａｌ）よりもはんだ４に対する濡れ性が高い第２金属層２２に接合できる。
図１に示されるように、半導体装置１００は、ヒートシンク６を含んでいる。よって、半導体装置１００の放熱性は、半導体装置１００がヒートシンク６を含んでいない場合よりも高い。
図１に示されるように、基板１は、第１導体層１２および第２導体層１３を含んでいる。このため、ヒートシンク６を第２導体層１３に接合するときに、積層材２を第１導体層１２に接合することができる。これにより、半導体装置１００の製造コストを小さくすることができる。
第１金属層２１の材料は、アルミニウム合金であってもよい。このため、第１金属層２１の表面硬度は、第１金属層２１の材料がアルミニウム（Ａｌ）である場合よりも、高くなる。また、第１金属層２１の再結晶温度は、第１金属層２１の材料がアルミニウム（Ａｌ）である場合よりも、高くなる。これにより、第１金属層２１の品質および信頼性は、向上し得る。
実施の形態１の第１の変形例に係る半導体装置１００によれば、図２に示されるように、半導体装置１００は、トランスファーモールド樹脂ＴＲを含んでいる。トランスファーモールド樹脂ＴＲは、封止材ＳＲよりも高い樹脂成形圧力によって成形されている。このため、半導体装置１００は、半導体装置１００が封止材ＳＲを含んでいる場合よりも高い絶縁性および放熱性を有している。
実施の形態１の第２の変形例に係る半導体装置１００によれば、基板１は、複数の基板部を含んでいる。複数の基板部を含む基板１は、複数の基板部同士の隙間によって基板１が一体的である場合よりも変形しやすい。このため、基板１は、セラミック層１１の熱膨張係数と第１導体層１２の熱膨張係数との差による反り、および半導体装置１００の温度サイクルによる変形によって変形しやすい。このため、複数の基板部を含む基板１が温度変化によって破損することは、基板１が一体的である場合よりも抑制される。
実施の形態１に係る半導体装置１００の製造方法によれば、図４に示されるように、第１金属層２１がろう材５によって第１導体層１２に接合される工程Ｓ１０２（図３参照）において、第１導体層１２に対してセラミック層１１とは反対側にろう材５が配置されてから、第１金属層２１がろう材５によって第１導体層１２に接合される。このため、基板１の第１導体層１２が平滑にされる必要がない。また、半導体素子３（図５参照）およびろう材５が準備される工程Ｓ１０１（図３参照）において、第１金属層２１および第２金属層２２が積層されている状態の積層材２が準備される。このため、第１金属層２１が平滑にされる必要がない。
図５に示されるように、半導体素子３がはんだ４によって第２金属層２２に接合される工程Ｓ１０３において、半導体素子３がはんだ４によって第２金属層２２に接合される。第２金属層２２は、アルミニウム（Ａｌ）よりもはんだ４に対する濡れ性が高い。よって、半導体素子３をアルミニウム（Ａｌ）よりもはんだ４に対する濡れ性が高い第２金属層２２に接合できる。したがって、半導体素子３は、アルミニウム（Ａｌ）に接合される場合よりも、はんだ４によって強固に接合され得る。
実施の形態２．
次に、図８を用いて、実施の形態２に係る半導体装置１００の構成を説明する。実施の形態２は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
次に、図８を用いて、実施の形態２に係る半導体装置１００の構成を説明する。実施の形態２は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図８に示されるように、本実施の形態において、積層材２は、第３金属層２３をさらに含んでいる。第３金属層２３は、第１金属層２１と第２金属層２２との間に配置されている。第３金属層２３の材料は、チタン（Ｔｉ）を含んでいる。第３金属層２３の材料は、ステンレスまたは鋼などのアルミニウム（Ａｌ）と低温共晶反応を起こさない材料を含んでいてもよい。
第１金属層２１、第２金属層２２および第３金属層２３は、第１方向に積層されている。第３金属層２３は、第１金属層２１および第２金属層２２に直接積層されている。第３金属層２３の厚みは、例えば、０．０５ｍｍである。第２金属層２２の材料は、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）および４２アロイのいずれかを含んでいる。本実施の形態において、第２金属層２２の材料は、銅（Ｃｕ）を含んでいる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態２に係る半導体装置１００によれば、図８に示されるように、第３金属層２３は、第１金属層２１と第２金属層２２との間に配置されている。このため、第１金属層２１と第２金属層２２とが拡散することによって第２金属層２２の表面粗さが変化することを抑制できる。これにより、第２金属層２２の表面粗さが変化することによって第２金属層２２のはんだ４に対する濡れ性が低下することを抑制できる。
実施の形態２に係る半導体装置１００によれば、図８に示されるように、第３金属層２３は、第１金属層２１と第２金属層２２との間に配置されている。このため、第１金属層２１と第２金属層２２とが拡散することによって第２金属層２２の表面粗さが変化することを抑制できる。これにより、第２金属層２２の表面粗さが変化することによって第２金属層２２のはんだ４に対する濡れ性が低下することを抑制できる。
第３金属層２３の材料は、チタン（Ｔｉ）を含んでいる。チタン（Ｔｉ）は、ニッケル（Ｎｉ）および銅（Ｃｕ）よりも耐熱性が高い。このため、第１金属層２１と第３金属層２３とが共晶反応を起こすことを抑制できる。
第３金属層２３が第１金属層２１と第２金属層２２との間に配置されているため、第１金属層２１と第２金属層２２とは直接積層されていない。このため、第１金属層２１と第２金属層２２とが共晶反応を起こすことを抑制できる。よって、第２金属層２２の材料を適宜に選ぶことができる。
第２金属層２２の材料は、銅（Ｃｕ）を含んでいる。銅（Ｃｕ）は、ニッケル（Ｎｉ）よりもはんだ４に対する濡れ性が高い。このため、半導体素子３は、第２金属層２２の材料がニッケル（Ｎｉ）を含んでいる場合よりも強固に第２金属層２２に接合され得る。また、半導体素子３は、銀焼結剤によって第２金属層２２に接合され得る。また、銅（Ｃｕ）は、ニッケル（Ｎｉ）よりも熱伝導率が高い。このため、半導体装置１００は、第２金属層２２の材料がニッケル（Ｎｉ）を含んでいる場合よりも、高い放熱性を有している。
実施の形態３．
次に、図９を用いて、実施の形態３に係る半導体装置１００の構成を説明する。実施の形態３は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。なお、図９では、説明の便宜のため、半導体素子３などは図示されていない。
次に、図９を用いて、実施の形態３に係る半導体装置１００の構成を説明する。実施の形態３は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。なお、図９では、説明の便宜のため、半導体素子３などは図示されていない。
図９に示されるように、本実施の形態において、半導体装置１００は、裏面積層材２０をさらに含んでいる。裏面積層材２０は、基板１に対して積層材２とは反対側で基板１に接合されている。裏面積層材２０は、積層材２と同じ構成を有していてもよい。
裏面積層材２０は、裏面第１金属層２１０と、裏面第２金属層２２０とを含んでいる。裏面第１金属層２１０は、第２導体層１３に対してセラミック層１１とは反対側で第２導体層１３に接合されている。裏面第１金属層２１０は、裏面ろう材５０によって第２導体層１３に接合されている。裏面第１金属層２１０の材料は、アルミニウム（Ａｌ）を含んでいる。
裏面第２金属層２２０は、裏面第１金属層２１０に対して第２導体層１３とは反対側で裏面第１金属層２１０に積層されている。裏面第２金属層２２０は、裏面第１金属層２１０に直接接合されている。裏面第２金属層２２０は、アルミニウム（Ａｌ）よりもはんだ４に対する濡れ性が高い。裏面第２金属層２２０は、第２金属層２２とで基板１を挟み込んでいる。
次に、図１０を用いて、実施の形態３に係る半導体装置１００の製造方法を説明する。なお、図１０では、説明の便宜のため、半導体素子３などは図示されていない。本実施の形態では、第１金属層２１がろう材５によって第１導体層１２に接合される工程Ｓ１０２（図３参照）において、裏面第１金属層２１０が裏面ろう材５０によって第２導体層１３に接合される。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態３に係る半導体装置１００によれば、図９に示されるように、半導体装置１００は、裏面積層材２０をさらに含んでいる。このため、第２金属層２２および裏面第２金属層２２０の各々は、基板１の第１導体層１２および第２導体層１３のそれぞれに接合されている。よって、半導体素子３（図１参照）は、第２金属層２２および裏面第２金属層２２０の少なくともいずれかを介して基板１の第１導体層１２および第２導体層１３の少なくともいずれかに電気的に接続されることができる。したがって、半導体素子３（図１参照）が第２金属層２２のみによって基板１に電気的に接続されている場合に比べて半導体装置１００の設計が容易である。
実施の形態３に係る半導体装置１００によれば、図９に示されるように、半導体装置１００は、裏面積層材２０をさらに含んでいる。このため、第２金属層２２および裏面第２金属層２２０の各々は、基板１の第１導体層１２および第２導体層１３のそれぞれに接合されている。よって、半導体素子３（図１参照）は、第２金属層２２および裏面第２金属層２２０の少なくともいずれかを介して基板１の第１導体層１２および第２導体層１３の少なくともいずれかに電気的に接続されることができる。したがって、半導体素子３（図１参照）が第２金属層２２のみによって基板１に電気的に接続されている場合に比べて半導体装置１００の設計が容易である。
実施の形態４．
本実施の形態は、上述した実施の形態１～３および後述される実施の形態５および６にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本開示は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態４として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。
本実施の形態は、上述した実施の形態１～３および後述される実施の形態５および６にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本開示は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態４として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。
図１１は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
図１１に示す電力変換システムは、電源１０１、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１０１は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１０１は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１０１を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
電力変換装置２００は、電源１０１と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１０１から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図１１に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１０１から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子および各還流ダイオードの少なくともいずれかは、上述した実施の形態１～３のいずれかの半導体装置に相当する半導体装置２０２が有するスイッチング素子又は還流ダイオードである。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路は半導体装置２０２に内蔵されていてもよいし、半導体装置２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１を構成する半導体装置２０２として実施の形態１～３にかかる半導体装置を適用するため、基板の導体層に前処理が施される必要がなく、かつ半導体素子をアルミニウムよりもはんだに対する濡れ性が高い金属層に接合できる電力変換装置を実現することができる。
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本開示を適用する例を説明したが、本開示は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本開示を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本開示を適用することも可能である。
また、本開示を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
実施の形態５．
次に、図１３および図１４を用いて、実施の形態５に係る半導体装置１００の構成を説明する。
次に、図１３および図１４を用いて、実施の形態５に係る半導体装置１００の構成を説明する。
実施の形態５では、図１３に示されるように、積層材２には、複数のスリット２２ｓが設けられていてもよい。第１金属層２１および第２金属層２２のいずれかは、複数のスリット２２ｓによって複数の部分に分割されている。図１３では、第２金属層２２は、複数のスリット２２ｓによって複数の部分２２９に分割されている。これにより、第１金属層２１の熱膨張係数と第２金属層２２の熱膨張係数との差による高温での積層材２の反りを抑制することができる。積層材２の反りが抑制されるため、ろう材５にボイドが生じることを抑制することができる。よって、ろう材５による接合性が向上する。なお、図示されないが、第１金属層２１は、複数のスリットによって複数の部分に分割されていてもよい。この場合でも、熱膨張係数の差による反りが抑制される。
図１４に示されるように、第１金属層２１および第２金属層２２のいずれかは、複数のスリット２２ｓによって、半導体素子３の形状および寸法に応じて複数の部分に分割されている。これにより、第２金属層２２の上面に半導体素子３が搭載される際に第２金属層２２の上面においてはんだ４が広がりすぎることを抑制することができる。よって、はんだ４がはんだ４に隣接するはんだ付け部に流出する等の不具合を抑制することができる。
実施の形態６．
次に、図１５を用いて、実施の形態６に係る半導体装置１００の構成を説明する。
次に、図１５を用いて、実施の形態６に係る半導体装置１００の構成を説明する。
実施の形態６では、図１５に示されるように、積層材２の第１金属層２１および第２金属層２２ならびにろう材５がクラッド材を構成している。すなわち、積層材２の第１金属層２１および第２金属層２２ならびにろう材５は、あらかじめ一体化されていてもよい。これにより、生産性および接合性がさらに向上する。
積層材２およびろう材５がクラッド材を構成している場合でも、積層材２に複数のスリット２２ｓが設けられていてもよい。この場合、複数のスリット２２ｓは、第１金属層２１、第２金属層２２およびろう材５のいずれかを複数の部分に分割している。これにより、高温において積層材２が反ることを抑制することができる。よって、積層材２の接合性が向上する。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 基板、２ 積層材、３ 半導体素子、４ はんだ、５ ろう材、６ ヒートシンク、１１ セラミック層、１２ 第１導体層、１３ 第２導体層、２１ 第１金属層、２２ 第２金属層、２３ 第３金属層、１００ 半導体装置、１０１ 電源、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ 半導体装置、２０３ 制御回路、３００ 負荷。
Claims (8)
- セラミック層と、前記セラミック層に積層された第１導体層とを含む基板と、
前記第１導体層に対して前記セラミック層とは反対側に配置されたろう材と、
前記第１導体層に対して前記セラミック層とは反対側で前記ろう材によって前記第１導体層に接合された第１金属層と、前記第１金属層に対して前記第１導体層とは反対側で前記第１金属層に積層された第２金属層とを含む積層材と、
前記第２金属層に配置されたはんだと、
前記はんだによって前記第２金属層に接合された複数の半導体素子とを備え、
前記第１導体層により回路パターンが構成されて、前記基板上に凹凸を有するものであり、
前記第１導体層の厚みより、前記第１金属層の厚みの方が薄く、さらに前記第１金属層の厚みより、前記ろう材の厚みの方が薄く、
前記複数の半導体素子は、前記積層材を介して前記基板に電気的に接続されており、
前記第１導体層および前記第１金属層の材料は、アルミニウムを含み、
前記第２金属層は、前記第１金属層よりも前記はんだに対する濡れ性が高く、前記積層材の前記第１金属層および前記第２金属層ならびに前記ろう材がクラッド材を構成している、半導体装置。 - 前記積層材は、前記第１金属層と前記第２金属層との間に配置された第３金属層をさらに含み、
前記第３金属層の材料は、チタンを含む、請求項１に記載の半導体装置。 - 前記第２金属層の材料は、ニッケルを含む、請求項１または２に記載の半導体装置。
- 前記第２金属層の材料は、銅を含む、請求項３に記載の半導体装置。
- 前記基板は、前記セラミック層に対して前記第１導体層とは反対側に積層された第２導体層をさらに含み、
前記第２導体層に対して前記第１導体層とは反対側で前記第２導体層に接合されたヒートシンクをさらに備えた、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置。 - 前記基板は、複数の基板部を含んでいる、請求項１に記載の半導体装置。
- 前記第１金属層および前記第２金属層のいずれかは、複数のスリットによって複数の部分に分割されている、請求項１に記載の半導体装置。
- 請求項１～７のいずれか１項に記載の前記半導体装置を有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路とを備えた電力変換装置。
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| JP2012004534A (ja) | 2010-05-18 | 2012-01-05 | Showa Denko Kk | 放熱用絶縁基板及びその製造方法 |
| JP2013197185A (ja) | 2012-03-16 | 2013-09-30 | Mitsubishi Materials Corp | ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法およびパワーモジュール用基板 |
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